葉衛(wèi)江 閆孟濤 劉婷婷

（1.陜西省煙草公司渭南市公司，陜西渭南 714000；2.福建科盛智能物流裝備有限公司，福建泉州 362100）

0 引言

智能制造是對制造活動進行信息感知和分析、對知識進行表達和學習的綜合交叉技術(shù)，是知識屬性與作用得以實現(xiàn)的必要途徑。智能制造技術(shù)涵蓋了產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計與制造、管理與服務以及其他制造環(huán)節(jié)的活動。智能制造技術(shù)是一種制造技術(shù)，是一種自動化技術(shù)，是一種系統(tǒng)工程和人工智能相互滲透、相互交織在一起的綜合技術(shù)。

高檔數(shù)控系統(tǒng)是高檔數(shù)控機床的“大腦”，是保證智能制造良好性能、較低成本與可靠性的關(guān)鍵部件。數(shù)字控制這一概念是美國帕森斯公司在1948 年提出來的，將其運用于外形復雜的飛機樣板加工環(huán)節(jié)。1952 年帕森斯公司與麻省理工學院合作，為解決復雜零件自動化加工問題，開發(fā)了全球首臺數(shù)控機床。數(shù)字控制技術(shù)的主要特點是將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，通過計算機對這些數(shù)字信號進行處理和控制，從而實現(xiàn)對機械設(shè)備的精確控制。數(shù)字控制技術(shù)在現(xiàn)代機械設(shè)備制造中得到了廣泛的應用，如數(shù)控機床、工業(yè)機器人、自動化生產(chǎn)線等。隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)在智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域也將發(fā)揮越來越重要的作用[1]。

1 智能化數(shù)控系統(tǒng)的需求分析

1.1 智能化數(shù)控系統(tǒng)硬件技術(shù)需求

1）通用開放式的硬件體系。符合智能制造底層加工裝備智能化控制要求的高端數(shù)控系統(tǒng)，要求以開放式硬件體系為架構(gòu)。傳統(tǒng)主流數(shù)控系統(tǒng)主要采用封閉式結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)，把運動控制作為中心，由于嵌人式系統(tǒng)自身處理速度、內(nèi)存容量、計算能力是有限的，很難實現(xiàn)多路工作狀態(tài)下的動態(tài)控制、在線檢測等，無法完成復雜信號處理與數(shù)據(jù)融合，很難實現(xiàn)比較復雜的多個補償合成閉環(huán)控制過程。與此同時，各類通訊網(wǎng)絡(luò)的使用也存在諸多不便。當前PC 硬件體系獲得高速發(fā)展，它在處理速度、內(nèi)存容量、計算能力、網(wǎng)絡(luò)通訊等方面具有諸多優(yōu)勢，十分契合智能制造需求。因此，智能制造所需的加工設(shè)備控制系統(tǒng)應采用通用PC 體系，以開放式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進行設(shè)計。滿足智能制造需求的高檔數(shù)控系統(tǒng)應考慮以嵌入式系統(tǒng)為主的硬件體系，在滿足智能制造需求的前提下，嵌入式系統(tǒng)作為高檔數(shù)控系統(tǒng)，應將嵌入式系統(tǒng)作為硬件體系的核心，以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)完成專用模塊，配合以通用PC 為基礎(chǔ)的核心模塊，構(gòu)成的分布式控制網(wǎng)絡(luò)是一種良好的高檔數(shù)控系統(tǒng)解決方案，在智能制造方面發(fā)揮很好的作用[2]。

2）良好的硬件互換和兼容能力。滿足智能制造對底層加工設(shè)備智能化控制要求的高端數(shù)控系統(tǒng)，要求其具有良好的硬件兼容能力。由于智能制造是一個龐大的體系，內(nèi)部的裝置類型多種多樣，底層硬件一定要有很好的互換性、兼容性，可以兼容單個硬件。因此，高端數(shù)控系統(tǒng)須采用開放式結(jié)構(gòu)，以適應硬件互換性、兼容性等方面的需求。

3）良好的分層網(wǎng)絡(luò)通訊能力。智能制造體系內(nèi)存在著各種各樣的通訊網(wǎng)絡(luò)。管理層、資源調(diào)度層、協(xié)同與合作層、設(shè)備控制層等常常需要不同的通訊網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線和實時網(wǎng)絡(luò)）才能執(zhí)行其信息交互任務。因此，高端數(shù)控需要具備上述各類通訊網(wǎng)絡(luò)連接的接口，以滿足實際需要[3]。

1.2 智能化數(shù)控系統(tǒng)軟件技術(shù)需求

（1）運行平臺通用性。以開放的PC 結(jié)構(gòu)硬件體系為核心，設(shè)計核心高端系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，適應智能制造的要求，相應地，軟件面亦需要統(tǒng)一的軟件運行平臺與之相配合。數(shù)控系統(tǒng)最重要的任務就是要實現(xiàn)實時運動控制功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)必須有一個性能優(yōu)越的實時軟件操作系統(tǒng)做核心支撐平臺；伴隨著智能制造的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)既需要對加工設(shè)備進行控制和管理，也需要在企業(yè)內(nèi)部管理進行線上實時的介入，促進企業(yè)內(nèi)部協(xié)同管理的同時，還要滿足CADCAPPCAM 等功能集成需要，數(shù)控系統(tǒng)要具備的較強數(shù)據(jù)處理能力、分布式測控、網(wǎng)絡(luò)通訊處理、并行處理等能力，這就要求數(shù)控系統(tǒng)具有多任務并行處理功能。同時，在軟件設(shè)計時，符合智能制造要求的高端數(shù)控系統(tǒng)，一定要嚴格遵循信息交互的統(tǒng)一流程要求，確保其實用性和有效性[4]。

（2）單臺數(shù)控加工設(shè)備需求。開放式、軟件化的體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了數(shù)控功能的多軸聯(lián)動；復雜加工過程中各種先進的組合控制功能（對多種不同被處理物料進行溫度、振動、張力、應力、形變的控制與補償功能）；刀具切削時，磨損自動在線補償功能；機床加工時，在線溫度補償功能；對被加工工件多種性能參數(shù)進行在線檢測功能；復合加工的組合控制功能；數(shù)控機床的在線監(jiān)測與故障處理功能；復雜加工的在線模擬與驗證功能；數(shù)控系統(tǒng)的在線升級及技術(shù)支持功能等。

（3）CAD/CAM 技術(shù)集成需求。基于通用軟件的操作平臺，方便了CAD/CAM 軟件和數(shù)控系統(tǒng)一體化集成；擁有獨立后處理模塊，方便數(shù)控加工設(shè)備和CAM 軟件的協(xié)同作業(yè)；兼容主流CAM 軟件，迅速連接有效的數(shù)據(jù)接口；擁有通用網(wǎng)絡(luò)通訊接口和配套軟件功能，方便數(shù)控加工程序等相關(guān)數(shù)據(jù)的交互[5]。

2 智能化數(shù)控系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)分析

2.1 智能化數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺

中科數(shù)控系統(tǒng)可重構(gòu)硬件平臺包括人機交互單元（HMU）和控制單元（NCU）。利用M:N 重構(gòu)方式進行，結(jié)合實際需要，可實現(xiàn)多個人機接口單元對應多個控制單元。各個控制單元經(jīng)現(xiàn)場總線完成驅(qū)動器、I/O 單元的控制、傳感器網(wǎng)關(guān)的控制。傳感器網(wǎng)關(guān)支持有/無線傳感器的干預。無線方式有WIFI、RFID 和其他無線射頻方式。傳感器采用廣播同步和總線同步組合，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)獲取和控制信息同步。HMU 是數(shù)控裝置人機接口的組成部分，主要是對數(shù)控裝置進行指令輸入、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、聯(lián)機幫助、交互式編程，為機床信息管理的功能提供計算平臺和網(wǎng)絡(luò)化接口。

NCU 為數(shù)控裝置的控制部分，NCU 采用箱式多插槽結(jié)構(gòu)，插槽內(nèi)可以插設(shè)CPU 控制板和若干功能擴展板。

2.2 智能化數(shù)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

RCS（Real-time Control System）是美國國家標準與技術(shù)研究院的智能系統(tǒng)部（Intelligent SystemsDivision）研發(fā)的一套完整的實時控制系統(tǒng)。RCS 推動開放式、研制可互操作、可測量智能系統(tǒng)，其核心是James S.Albus 于1991 年提出的智能化架構(gòu)。由A1bus 開發(fā)的智能軟件平臺由六元組組成，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有四元組，硬件邏輯為傳感器與執(zhí)行器，軟件邏輯具有感知模塊、世界模型、行為生成模塊與價值判斷模塊。智能化數(shù)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能化數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)

傳感器及執(zhí)行器是數(shù)控系統(tǒng)與外界環(huán)境進行信息互換的橋梁。傳感器采集外界信息是數(shù)控系統(tǒng)感知輸入模塊的過程，執(zhí)行器是數(shù)控系統(tǒng)的最后執(zhí)行元件，它的行為可以改變外界環(huán)境，例如機床刀具運動、毛坯切削為工件。世界模型為智能系統(tǒng)對外界狀態(tài)的最佳估計，里面有知識數(shù)據(jù)庫，可以儲存先驗知識。世界模型具有預測與評估外部世界狀態(tài)的功能，能模擬事件的發(fā)展過程。價值判斷模塊可以計算存在的利弊、確定性與不確定性，對觀測外部狀態(tài)以及假設(shè)行為進行結(jié)果評估，評判最優(yōu)結(jié)果[3]。

智能化數(shù)控系統(tǒng)各模塊實施前，行為生成模塊可以對生成行為進行假設(shè)，世界模型的預測結(jié)果是對價值判斷模塊進行的評價。因此，行為生成模塊選擇了“最優(yōu)解”，也就是最優(yōu)規(guī)劃，并加以實施[6]。

圖2 為智能化數(shù)控系統(tǒng)的軟件架構(gòu)圖，由人機交互界面組成、NML（NeutralMessage Language）中間消息語言、解釋器和運動控制層。運動控制層由軌跡規(guī)劃模塊、前瞻模塊、正逆向運動學模塊、平滑插補模塊、狀態(tài)信息模塊與軸命令模塊組成。數(shù)控加工時，上層模塊向下層模塊下發(fā)指令，下層模塊將狀態(tài)及錯誤信息反饋至上層模塊。比如，人機交互界面將G 代碼段以NML 的方式發(fā)送到解釋器，解釋器對指令進行解析，對執(zhí)行錯誤指令進行處理，解析結(jié)果，經(jīng)NML 及共享內(nèi)存?zhèn)鬏斨吝\動控制模塊，錯誤信息及當前解釋器狀態(tài)轉(zhuǎn)交人機交互界面顯示及處理。解釋器解析的中間結(jié)果是一組中間形式的指令集，它由運動段開始，軌跡規(guī)劃模塊依據(jù)這些資料規(guī)劃并體驗前瞻、運動學及平滑插補模塊，最后下發(fā)給伺服控制器插補點[7]。

圖2 智能化數(shù)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

在圖2 所示的體系結(jié)構(gòu)中，解釋器以及運動控制層均滿足A1bus 架構(gòu)，解釋器內(nèi)存在一個四元組結(jié)構(gòu)。類似地，在運動控制層也存在四元組構(gòu)造，還有感知模塊、軌跡生成模塊、曲線模型與價值判斷等。運動控制層中有行為生成模塊，其與軌跡生成相對應。感知處理模塊用于獲取下層伺服控制器反饋信息，實際軸命令由正向運動學變換，并轉(zhuǎn)移到上層。軌跡生成模塊通過軌跡規(guī)劃、前瞻、逆向運動學、平滑插補等子模塊，生成最后軌跡點，下發(fā)至伺服控制器。在價值判斷模塊和曲線模型的相互作用下，選擇最佳軌跡[8]。

圖3 為一種智能數(shù)控系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃體系結(jié)構(gòu)，軌跡規(guī)劃模塊內(nèi)設(shè)有四元組。軌跡生成模塊對規(guī)劃進行假設(shè)，該曲線模型基于軌跡信息對規(guī)劃結(jié)果進行預測。價值判斷模塊用于選擇最優(yōu)解，并將其交付給行為產(chǎn)生模塊，軌跡生成模塊將任務分解并層層細化，最后向執(zhí)行器發(fā)出一系列的微指令。

圖3 智能軌跡規(guī)劃層級的內(nèi)部架構(gòu)

3 結(jié)語

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，機械設(shè)備智能設(shè)計制造系統(tǒng)在工程領(lǐng)域中具有越來越重要的作用。通過體系結(jié)構(gòu)分析可以發(fā)現(xiàn)，智能設(shè)計制造系統(tǒng)在信息集成、模塊化設(shè)計、分布式控制和智能化決策等方面具有顯著優(yōu)勢。此外，智能設(shè)計制造系統(tǒng)還具有較強的靈活性和可擴展性，可以滿足不同領(lǐng)域和行業(yè)的需求。本文深入分析了智能數(shù)控系統(tǒng)軌跡規(guī)劃體系結(jié)構(gòu)、軌跡生成模塊、曲線模型等。智能化機械設(shè)備的發(fā)展前景十分廣闊，加強相關(guān)設(shè)計和研究，有利于機械設(shè)備的智能化發(fā)展，有利于提升制造系統(tǒng)的應用效果。